高功率密度、低剖面NexFET?電源模塊II用于筆記本電源的設(shè)計與測試

一、引言

在筆記本電源設(shè)計領(lǐng)域，高功率密度和低剖面的電源模塊一直是工程師們追求的目標(biāo)。德州儀器（Texas Instruments）的CSD87381PEVM - 603評估模塊（EVM）為我們提供了一個優(yōu)秀的解決方案。它結(jié)合了CSD87381P和TI控制器TPS51219，能夠在8 - 20V的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)15A的1.35V輸出，為筆記本電腦等設(shè)備的電源設(shè)計提供了有力支持。

文件下載：CSD87381PEVM-603.pdf

二、模塊概述

2.1 典型應(yīng)用

CSD87381PEVM - 603的典型應(yīng)用場景廣泛，包括筆記本電腦、I/O電源以及系統(tǒng)電源等。這些應(yīng)用場景對電源的功率密度、效率和穩(wěn)定性都有較高的要求，而該模塊正好能夠滿足這些需求。

2.2 特點

• 輸出電壓精度高：輸出電壓為1.35V，公差僅為2%，能夠為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。
• 大電流輸出能力：可提供高達(dá)15A的穩(wěn)態(tài)輸出電流，滿足高功率設(shè)備的需求。
• 高開關(guān)頻率：開關(guān)頻率達(dá)到300kHz，有助于減小電感和電容的尺寸，提高功率密度。
• 高效能：峰值效率超過92%，在不同負(fù)載條件下都能保持較高的效率，降低了能源損耗。

2.3 電氣性能規(guī)格

輸出電壓可以通過改變圖1中R104和R107的值進(jìn)行調(diào)整，具體細(xì)節(jié)可參考TPS51219的數(shù)據(jù)手冊SLUSAG1。TPS51219支持0.5 - 2V的輸出電壓。

三、測試設(shè)置

3.1 測試設(shè)備

• 電壓源：
  • VIN：0 - 20V可變直流電源，能夠提供10A的電流，連接到J102。
  • V5VIN：0 - 5V可變直流電源，能夠提供1A的電流，連接到J100。
• 萬用表：
  • V1：測量TP103（Vins）和TP104（GNDS）之間的VIN電壓。
  • V2：測量TP100（5V）和TP101（GND）之間的5V電壓。
  • V3：測量TP107（Vouts）和TP108（GNDS）之間的輸出電壓。
  • A1：測量VIN輸入電流。
  • A2：測量5V輸入電流。
• 輸出負(fù)載：電子恒阻模式負(fù)載，能夠在1.35V下提供0 - 20A的電流。
• 示波器：數(shù)字或模擬示波器，用于測量開關(guān)節(jié)點波形。測量時需使用差分探頭，示波器設(shè)置為50Ω阻抗、1GHz帶寬、直流耦合、50ns/格水平分辨率、5V/格垂直分辨率。
• 風(fēng)扇：由于模塊中的一些組件在運(yùn)行時可能會達(dá)到60°C，建議使用一個風(fēng)量為200 - 400LFM的小風(fēng)扇，在負(fù)載電流高于10A時運(yùn)行，以降低組件溫度。
• 推薦線規(guī)：
  • VIN到J102（8 - 20V輸入）：推薦使用1根AWG 14號線，總長度小于4英尺（輸入2英尺，返回2英尺）。
  • V5VIN到J100（5V輸入）：推薦使用1根AWG 18號線，總長度小于4英尺（輸入2英尺，返回2英尺）。
  • J103到負(fù)載：最小推薦使用2根AWG 14號線，總長度小于4英尺（輸出2英尺，返回2英尺）。

3.2 推薦測試設(shè)置

在ESD工作站工作時，要確保連接好任何手腕帶、靴帶或墊子，并在給EVM供電前參考用戶對地接地。具體連接步驟如下：

• 輸入連接：
  • 在連接直流電源VIN之前，建議將VIN的源電流限制在最大10A，并確保VIN初始設(shè)置為0V后進(jìn)行連接。
  • 在連接直流電源V5VIN之前，建議將V5VIN的源電流限制在最大1A，并確保V5VIN初始設(shè)置為0V后進(jìn)行連接。
  • 在TP103（Vins）和TP104（GNDS）處連接電壓表V1以測量VIN電壓，在TP100（5V）和TP101（GND）處連接電壓表V2以測量5V電壓。
  • 在直流電源VIN和J102之間連接電流表A1以測量輸入電流。
  • 在直流電源V5VIN和J100之間連接電流表V2以測量5V輸入電流。
• 輸出連接：
  • 將負(fù)載連接到J103，并在施加VIN和5V之前將負(fù)載設(shè)置為恒阻模式以吸收0A電流。
  • 在TP107（Vouts）和TP108（GNDS）處連接電壓表V3以測量輸出電壓。

四、測試過程

4.1 線路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及效率測量過程

1. 確保負(fù)載設(shè)置為恒阻模式并吸收0A電流。
2. 在施加VIN和V5VIN之前，在EVM上的J101處放置跳線，將EVM設(shè)置為關(guān)閉位置。
3. 將VIN從0V增加到12V，使用V1測量輸入電壓。
4. 將V5VIN從0V增加到5V，使用V2測量輸入電壓。
5. 移除J101上的跳線以啟用控制器。
6. 將負(fù)載從0A變化到15A，輸出電壓VOUT應(yīng)保持在負(fù)載調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
7. 將VIN從12V變化到19V，輸出電壓VOUT應(yīng)保持在線路調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
8. 將負(fù)載減小到0A。
9. 放置跳線短路J101以禁用控制器。
10. 將V5VIN減小到0V。
11. 將VIN減小到0V。

4.2 測試點列表

4.3 設(shè)備關(guān)機(jī)

1. 關(guān)閉負(fù)載。
2. 在J101處放置跳線。
3. 關(guān)閉V5VIN和VIN。

五、性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線

圖4 - 圖6展示了CSD87381PEVM - 603的典型性能曲線，包括效率與輸出電流的關(guān)系以及不同輸入電壓和輸出電流下的開關(guān)節(jié)點波形。這些曲線可以幫助工程師更好地了解模塊的性能，為實際應(yīng)用提供參考。

六、EVM組裝圖和PCB布局

CSD87381PEVM - 603的印刷電路板采用六層、1盎司銅電路設(shè)計，圖7 - 圖14展示了其設(shè)計細(xì)節(jié)。合理的PCB布局對于模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，工程師可以根據(jù)這些圖紙進(jìn)行組裝和調(diào)試。

七、物料清單

該模塊的物料清單詳細(xì)列出了各個組件的型號、參數(shù)和制造商，為工程師進(jìn)行物料采購和替換提供了方便。

八、總結(jié)

CSD87381PEVM - 603評估模塊為筆記本電源設(shè)計提供了一個高性能、高功率密度的解決方案。通過合理的測試設(shè)置和測試過程，工程師可以對模塊的性能進(jìn)行全面評估。同時，其詳細(xì)的物料清單和PCB布局圖紙也為實際應(yīng)用提供了有力支持。在實際設(shè)計中，工程師可以根據(jù)具體需求對模塊進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同設(shè)備的電源需求。

大家在使用這個模塊進(jìn)行設(shè)計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。